CSP產(chǎn)線600 MPa級汽車罐體鋼的開發(fā)

李 斌 張志強(qiáng) 賈改風(fēng) 柳風(fēng)林 李紅俊 周文濤 楊學(xué)雨

（河北鋼鐵集團(tuán)邯鋼公司）

0 前言

汽車罐體用鋼主要用來制造油罐車、粉罐車、混凝土攪拌罐車的罐體，其加工及服役過程決定了其需要具備以下幾方面性能特點(diǎn)：（1）鋼卷開平后，通過鋼板拼焊、筒節(jié)縱焊和筒節(jié)組對焊三步焊接成完整的罐體，需要產(chǎn)品具有良好的板形質(zhì)量和焊接性能；（2）罐體在使用過程中要承載較重的物料，部分車型裝載固體顆粒，與罐體之間會產(chǎn)生摩擦，產(chǎn)品需要具備足夠的強(qiáng)度和耐磨性；（3）車輛服役過程中罐體頻繁受到擠壓和震動，產(chǎn)品不僅需要具有良好的塑性，而且表面不能有邊裂、縱裂等原始裂紋源，否則會影響罐體使用壽命。

1 技術(shù)要求

620JJ汽車罐體鋼的力學(xué)性能和工藝性能指標(biāo)分別見表 1、表2，為保證焊接性能，按公式 CEV = C + Mn/6 + (Cr+ Mo + V) /5 + (Ni + Cu) /15 計(jì)算碳當(dāng)量，CEV≤0.25。

表1 620JJ汽車罐體鋼化學(xué)成分要求 %

表2 620JJ汽車罐體鋼力學(xué)性能要求

2 成分設(shè)計(jì)

成分設(shè)計(jì)充分考慮產(chǎn)品的拉伸性能、冷彎性能以及客戶的焊接加工性能要求，一是采用低成本C-Mn-Ti成分體系，將S含量控制在較低水平，防止其與Ti大量結(jié)合形成大尺寸化合物[1]，使得Ti的強(qiáng)化作用減弱；二是將P含量控制在較低水平，提高產(chǎn)品的冷彎性能和焊接性能；三是結(jié)合CSP產(chǎn)線連鑄工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理的C含量范圍，盡量避開包晶區(qū)（C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.07%~0.15%），從而防止鑄坯裂紋的產(chǎn)生，以實(shí)現(xiàn)大批量高效化生產(chǎn)。

620JJ的化學(xué)成分設(shè)計(jì)見表 3。

表3 620JJ設(shè)計(jì)化學(xué)成分 %

3 生產(chǎn)工藝

3.1 工藝流程

CSP產(chǎn)線620JJ的工藝流程：鐵水→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→CSP連鑄→加熱→粗軋→均熱→精軋→層流冷卻→卷取→取樣/檢驗(yàn)→打捆→稱重/噴號→入庫。

3.2 冶煉工藝

（1）冶煉。轉(zhuǎn)爐和LF精煉采用潔凈鋼冶煉工藝，保證鋼水具有良好的潔凈度，精煉過程控制Al含量在0.030%以下，鈦合金化后5 min進(jìn)行鈣處理，將TiOX夾雜還原，Ti在向夾雜物外層擴(kuò)散聚集時，與鋼水中的部分N結(jié)合，在復(fù)合氧化物表面析出，從而延遲大顆粒純TiN夾雜在凝固前沿析出。

（2）連鑄。采用氬氣密封保護(hù)澆鑄，鋼包鋼水過熱度控制在15～35 ℃，拉速3.9~4.2 m/min，嚴(yán)格控制結(jié)晶器液面波動，防止卷渣；由于鋼水澆鑄時的結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度遠(yuǎn)大于常規(guī)板坯連鑄的，所以其原始鑄坯的組織更細(xì)小均勻，同時中心偏析減弱，液析TiN的尺寸也更小[2]。

3.3 軋制工藝

（1）加熱。和常規(guī)熱軋產(chǎn)線相比，CSP產(chǎn)線鑄坯中的微合金元素在熱軋前沒有經(jīng)過析出—溶解—再析出的過程，大部分在奧氏體固溶體中得以保留，加熱爐出爐溫度在1 100 ℃以上可以保證絕大部分強(qiáng)化元素的固溶。

（2）軋制壓下。CSP產(chǎn)線的總壓下量和各道次壓下量的分配與常規(guī)熱軋產(chǎn)線的有很大區(qū)別，連鑄坯厚度在70 mm，中間坯厚度在32~38 mm，精軋F(tuán)1~F6各機(jī)架壓下量分配見表4。

表4 620JJ壓下制度（2.5~3.5 mm厚度規(guī)格）

（3）終軋溫度。熱軋過程中帶鋼受軋制變形作用，組織出現(xiàn)大量位錯、晶界、亞晶界，為析出相的形核提供了有利條件，但這一階段的TiN、Ti（CN）析出粒子尺寸雖然也是納米級別，但是較鐵素體內(nèi)析出的粒子尺寸仍較大，強(qiáng)化作用相對較弱[3]。另外，考慮CSP軋制設(shè)備能力，為減少Ti的析出造成的軋制力的劇增，將終軋溫度設(shè)定在890～910 ℃。

（4）冷卻和卷取。采用前段集中冷卻得到細(xì)小的鐵素體晶粒，快冷條件下有效控制γ-α轉(zhuǎn)變過程中的TiC相間析出量，為卷取后納米級細(xì)小TiC在鐵素體內(nèi)析出保存足夠量的Ti，將TiC的析出強(qiáng)化作用盡可能最大化。根據(jù)TiC的最佳析出溫度區(qū)間，將卷取溫度設(shè)定在610～650 ℃。鋼卷下線后在庫內(nèi)保溫區(qū)堆垛緩冷[4]。

4 產(chǎn)品性能和組織

4.1 力學(xué)性能

對某月生產(chǎn)的一個批次620JJ的性能進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，各規(guī)格鋼的屈服強(qiáng)度均在580 MPa以上，抗拉強(qiáng)度達(dá)到650 MPa以上，延伸率均在18%以上，橫縱向抗拉強(qiáng)度差在23 MPa以內(nèi)，帶鋼通寬方向性能較穩(wěn)定，抗拉強(qiáng)度差在25 MPa以內(nèi)。不同厚度規(guī)格620JJ的拉伸性能見表5。

表5 不同厚度規(guī)格620JJ的拉伸性能

4.2 微觀組織

圖1和2為CSP產(chǎn)線和2250熱軋產(chǎn)線生產(chǎn)的620JJ的微觀組織的金相照片（兩條產(chǎn)線的620JJ成分體系相同，合金含量相近）。

圖1 CSP產(chǎn)線620JJ的微觀組織

圖2 2250產(chǎn)線620JJ的微觀組織

從圖1和圖2可以看出，CSP產(chǎn)線生產(chǎn)的620JJ的晶粒較2250產(chǎn)線更細(xì)小，晶粒度評級高出2級以上，但二者均存在輕微晶粒大小不均勻； 2250產(chǎn)線生產(chǎn)的620JJ的TiN夾雜尺寸較大，直徑最大可到10 μm以上，且形狀尖銳有棱角，而CSP產(chǎn)線生產(chǎn)的620JJ中的TiN以氧化物形核的居多，尺寸在5 μm以下，形狀較圓滑，對產(chǎn)品的韌塑性降低影響較小[5]。

4.3 產(chǎn)品耐磨性

620JJ成分中添加的Ti元素作為強(qiáng)碳化物形成元素，所形成的TiC、Ti（CN）硬質(zhì)第二相的化學(xué)穩(wěn)定性好，具有耐高溫、高耐磨性、高熔點(diǎn)、高硬度的特點(diǎn)[6]，在鐵素體基體中彌散分布，能夠提高材料的整體硬度和耐磨性，4 mm厚620JJ厚度方向上的維氏硬度HV0.2測量結(jié)果如圖3所示。

圖3 4 mm厚620JJ厚度方向上的維氏硬度HV0.2測量結(jié)果

從圖3可以看出，620JJ整個厚度方向的硬度在180～260 HV0.2之間，厚度中心處的硬度較其他部位略高，這與合金元素偏析、TiC在厚度中部的析出較多有關(guān)。

模擬混凝土攪拌罐車罐體的服役條件[6]，按照標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7705—1995試驗(yàn)方法，在MLS-225 型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了濕砂/橡膠輪磨粒磨損試驗(yàn)，對比鋼種為Q355B，試驗(yàn)用磨料選用人造石英砂，按砂水重量比1.5：1加入去離子水，試樣尺寸3.5 mm×25 mm×58 mm，摩擦行程1 000 m為1次試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)次數(shù)與磨損量基本成線性關(guān)系，620JJ的耐磨性為Q355B的2倍左右。

圖4 620JJ和Q355B的磨損試驗(yàn)結(jié)果對比

5 產(chǎn)品應(yīng)用

620JJ生產(chǎn)開發(fā)過程充分考慮下游用戶的加工工藝，軋制-平整生產(chǎn)時重點(diǎn)對帶鋼邊部板形質(zhì)量進(jìn)行了提升，綜合成材率達(dá)到97.9%，產(chǎn)品實(shí)際不平度穩(wěn)定控制在5 mm/m以內(nèi)，為罐體加工廠家的高效生產(chǎn)提供了保障。

汽車罐體作為裝載物料的容器，在運(yùn)輸過程中，需要承受較大的壓力和各個方向的沖擊，在國內(nèi)某罐體車加工廠家焊接車間，按照其工藝參數(shù)對9塊鋼板進(jìn)行二保焊試驗(yàn)，并對焊接試樣進(jìn)行檢驗(yàn)[7]。結(jié)果表明，620JJ產(chǎn)品的焊接性能良好，焊口光滑、無裂紋，焊后焊縫和熱影響區(qū)的拉伸性能下降較小，可以滿足罐體汽車的服役條件，母材和焊接接頭的拉伸性能的對比如圖8所示。

圖5 620JJ母材和焊接接頭的拉伸性能對比

6 結(jié)論

（1）邯鋼CSP汽車罐體用鋼620JJ采用合理的成分設(shè)計(jì)和冶煉工藝，結(jié)合連鑄連軋短流程產(chǎn)線優(yōu)勢，充分發(fā)揮Ti的析出強(qiáng)化作用，產(chǎn)品的最終組織較傳統(tǒng)熱軋產(chǎn)線生產(chǎn)的同牌號產(chǎn)品具有晶粒細(xì)小均勻，液析TiN尺寸小、形狀圓滑等優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)品的拉伸、冷彎性能良好，符合設(shè)計(jì)要求。

（2）邯鋼CSP生產(chǎn)的620JJ的組織晶粒度高，納米級TiC、Ti（CN）等碳化物在基體內(nèi)彌散析出，與之前罐體加工使用的Q355B材料相比，具有較高的耐磨性，在使汽車輕量化的同時提高了罐體的使用壽命。

（3）罐體的加工工藝和服役條件決定了材料需要具有優(yōu)良的焊接性能和焊后使用性能，采用用戶的焊接工藝對620JJ進(jìn)行了焊接試驗(yàn)和性能檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)樣板焊口光滑、無裂紋，焊后焊縫和熱影響區(qū)的拉伸性能無明顯變化。